第01章 数据模型02 vtkPolyData类介绍

vtkPolyData 类的特点和用途

vtkPolyData 是 VTK (Visualization Toolkit) 库中的一个核心数据结构，用于表示和处理三维几何数据。它主要由以下几部分组成：

1. Points (点)：存储几何对象的顶点坐标。
2. Vertices (顶点)：表示独立的点。
3. Lines (线)：表示连接两个或多个点的线段。
4. Polygons (多边形)：表示由三个或更多点组成的多边形。
5. TriangleStrips (三角带)：一种高效存储三角形的方法，通过共享边来减少数据冗余。
6. CellData (单元数据)：存储与几何对象相关的属性数据，如颜色、纹理坐标等。
7. PointData (点数据)：存储与点相关的属性数据，如法线、标量值等。

vtkPolyData 在三维可视化中非常常用，可以表示各种几何形状，如表面、网格、线框等。它支持复杂的几何变换和属性操作，是 VTK 中进行三维数据处理和可视化的基础。

vtkPolyData 用于表示和操作多边形数据的基本类。它主要用于存储顶点、线、多边形和标量、向量等属性数据。以下是 vtkPolyData 类的主要成员及其作用：

1. vtkPoints - 顶点数据

• 作用：存储几何数据的点坐标。
• 类型 ：vtkPoints 对象。
• 成员函数 ：
  • SetNumberOfPoints(int numPoints)：设置点的数量。
  • InsertNextPoint(double x, double y, double z)：插入一个新的点。
  • GetPoint(int id, double p[3])：获取指定索引的点坐标。

2. vtkCellArray - 顶点连接信息

• 作用：存储顶点之间的连接关系，用于定义线、多边形等几何体。
• 类型 ：vtkCellArray 对象。
• 成员函数 ：
  • InsertNextCell(int npts, int* pts)：插入一个新的单元（线、多边形等）。
  • InsertNextCell(int npts, vtkIdType* pts)：插入一个新的单元（支持 vtkIdType 类型的索引）。
  • Reset()：重置单元数组。

3. vtkDataArray - 属性数据

• 作用：存储与顶点或单元相关的属性数据，如标量、向量、张量等。
• 类型 ：vtkDataArray 对象。
• 成员数据 ：
  • Scalars：标量数据。
  • Vectors：向量数据。
  • Normals：法向量数据。
  • TCoords：纹理坐标数据。
  • Tensors：张量数据。
• 成员函数 ：
  • GetPointData()：获取与顶点相关的数据。
  • GetCellData()：获取与单元相关的数据。
  • SetScalars(vtkDataArray* array)：设置标量数据。
  • SetVectors(vtkDataArray* array)：设置向量数据。
  • SetNormals(vtkDataArray* array)：设置法向量数据。
  • SetTCoords(vtkDataArray* array)：设置纹理坐标数据。
  • SetTensors(vtkDataArray* array)：设置张量数据。

4. vtkFieldData - 字段数据

• 作用：存储与整个数据集相关的字段数据。
• 类型 ：vtkFieldData 对象。
• 成员函数 ：
  • GetFieldData()：获取字段数据。

5. vtkPolyDataNormals - 法向量计算

• 作用：计算并生成顶点和单元的法向量。
• 类型 ：vtkPolyDataNormals 对象。
• 成员函数 ：
  • SetInputData(vtkPolyData* input)：设置输入的 vtkPolyData。
  • Update()：更新法向量计算。
  • GetOutput()：获取计算后的 vtkPolyData。

6. vtkPointData 和 vtkCellData - 属性数据容器

• 作用：分别存储与顶点和单元相关的属性数据。
• 类型 ：vtkPointData 和 vtkCellData 对象。
• 成员函数 ：
  • GetPointData()：获取与顶点相关的数据。
  • GetCellData()：获取与单元相关的数据。
  • SetScalars(vtkDataArray* array)：设置标量数据。
  • SetVectors(vtkDataArray* array)：设置向量数据。
  • SetNormals(vtkDataArray* array)：设置法向量数据。
  • SetTCoords(vtkDataArray* array)：设置纹理坐标数据。
  • SetTensors(vtkDataArray* array)：设置张量数据。

7. vtkPolyDataMapper - 数据映射

• 作用 ：将 vtkPolyData 映射到图形对象，用于渲染。
• 类型 ：vtkPolyDataMapper 对象。
• 成员函数 ：
  • SetInputData(vtkPolyData* polyData)：设置输入的 vtkPolyData。
  • ScalarVisibilityOn()：启用标量可见性。
  • Update()：更新映射。

示例代码

以下是一个简单的示例，展示如何创建 vtkPolyData 并设置其顶点和单元：

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkCellArray.h>

int main()
{
    // 创建点数据
    vtkSmartPointer<vtkPoints> points = vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();
    points->InsertNextPoint(0.0, 0.0, 0.0); // 顶点 0
    points->InsertNextPoint(1.0, 0.0, 0.0); // 顶点 1
    points->InsertNextPoint(0.0, 1.0, 0.0); // 顶点 2

    // 创建单元数据
    vtkSmartPointer<vtkCellArray> cells = vtkSmartPointer<vtkCellArray>::New();
    cells->InsertNextCell(3); // 三角形有 3 个顶点
    cells->InsertCellPoint(0); // 顶点 0
    cells->InsertCellPoint(1); // 顶点 1
    cells->InsertCellPoint(2); // 顶点 2

    // 创建 vtkPolyData 对象
    vtkSmartPointer<vtkPolyData> polyData = vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
    polyData->SetPoints(points);
    polyData->SetPolys(cells);

    // 打印点数据和单元数据
    for (vtkIdType i = 0; i < polyData->GetNumberOfPoints(); i++)
    {
        double point[3];
        polyData->GetPoint(i, point);
        std::cout << "Point " << i << ": (" << point[0] << ", " << point[1] << ", " << point[2] << ")\n";
    }

    for (vtkIdType i = 0; i < polyData->GetNumberOfCells(); i++)
    {
        vtkIdType npts;
        const vtkIdType* pts;
        polyData->GetCellPoints(i, npts, pts);
        std::cout << "Cell " << i << ": ";
        for (vtkIdType j = 0; j < npts; j++)
        {
            std::cout << pts[j] << " ";
        }
        std::cout << "\n";
    }

    return 0;
}

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透明绿色的 vtkPolyData 构成的三维形体表面（如人体肿瘤）

以下是一个使用 VTK 创建一个透明绿色的三维肿瘤表面的示例代码。这个例子中，我们假设已经有一个肿瘤的三维点数据和多边形数据。

import vtk

# 创建点数据
points = vtk.vtkPoints()
points.InsertNextPoint(0, 0, 0)
points.InsertNextPoint(1, 0, 0)
points.InsertNextPoint(1, 1, 0)
points.InsertNextPoint(0, 1, 0)
points.InsertNextPoint(0, 0, 1)
points.InsertNextPoint(1, 0, 1)
points.InsertNextPoint(1, 1, 1)
points.InsertNextPoint(0, 1, 1)

# 创建多边形数据
polys = vtk.vtkCellArray()
polys.InsertNextCell(4)
polys.InsertCellPoint(0)
polys.InsertCellPoint(1)
polys.InsertCellPoint(2)
polys.InsertCellPoint(3)

polys.InsertNextCell(4)
polys.InsertCellPoint(4)
polys.InsertCellPoint(5)
polys.InsertCellPoint(6)
polys.InsertCellPoint(7)

polys.InsertNextCell(4)
polys.InsertCellPoint(0)
polys.InsertCellPoint(1)
polys.InsertCellPoint(5)
polys.InsertCellPoint(4)

polys.InsertNextCell(4)
polys.InsertCellPoint(1)
polys.InsertCellPoint(2)
polys.InsertCellPoint(6)
polys.InsertCellPoint(5)

polys.InsertNextCell(4)
polys.InsertCellPoint(2)
polys.InsertCellPoint(3)
polys.InsertCellPoint(7)
polys.InsertCellPoint(6)

polys.InsertNextCell(4)
polys.InsertCellPoint(3)
polys.InsertCellPoint(0)
polys.InsertCellPoint(4)
polys.InsertCellPoint(7)

# 创建 vtkPolyData
polyData = vtk.vtkPolyData()
polyData.SetPoints(points)
polyData.SetPolys(polys)

# 创建 mapper
mapper = vtk.vtkPolyDataMapper()
mapper.SetInputData(polyData)

# 创建 actor
actor = vtk.vtkActor()
actor.SetMapper(mapper)

# 设置颜色和透明度
actor.GetProperty().SetColor(0, 1, 0)  # 绿色
actor.GetProperty().SetOpacity(0.5)    # 透明度

# 创建渲染器
renderer = vtk.vtkRenderer()
renderer.AddActor(actor)
renderer.SetBackground(1, 1, 1)  # 白色背景

# 创建渲染窗口
renderWindow = vtk.vtkRenderWindow()
renderWindow.AddRenderer(renderer)
renderWindow.SetSize(800, 800)

# 创建渲染窗口交互器
renderWindowInteractor = vtk.vtkRenderWindowInteractor()
renderWindowInteractor.SetRenderWindow(renderWindow)

# 开始渲染
renderWindow.Render()
renderWindowInteractor.Start()

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说明

1. 创建点数据 ：使用 vtkPoints 类来存储肿瘤表面的顶点坐标。
2. 创建多边形数据 ：使用 vtkCellArray 类来定义这些顶点如何组成多边形。
3. 创建 vtkPolyData ：将点数据和多边形数据组合成一个 vtkPolyData 对象。
4. 创建 vtkPolyDataMapper ：将 vtkPolyData 映射到图形对象。
5. 创建 vtkActor ：定义图形对象并将 vtkPolyDataMapper 关联到 vtkActor。
6. 设置颜色和透明度 ：使用 vtkProperty 类设置 vtkActor 的颜色和透明度。
7. 创建渲染器和渲染窗口：设置渲染器和渲染窗口，并启动交互器以显示三维形体。

这个例子中，我们创建了一个简单的立方体作为示例。实际应用中，可以将肿瘤的三维点数据和多边形数据代入 vtkPoints 和 vtkCellArray 中，以生成更复杂的三维形体。

使用纹理贴图和 vtkPolyData 显示三维物体表面的 C++ 示例代码

以下是一个使用 VTK 库在 C++ 中实现纹理贴图的示例代码。这个示例展示了如何将纹理映射到一个简单的立方体上。

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkCellArray.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkProperty.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkJPEGReader.h>
#include <vtkTexture.h>
#include <vtkTextureMapToCylinder.h>

int main()
{
    // 创建点数据
    vtkSmartPointer<vtkPoints> points = vtkSmartPointer<vtkPoints>::New();
    points->InsertNextPoint(0, 0, 0);
    points->InsertNextPoint(1, 0, 0);
    points->InsertNextPoint(1, 1, 0);
    points->InsertNextPoint(0, 1, 0);
    points->InsertNextPoint(0, 0, 1);
    points->InsertNextPoint(1, 0, 1);
    points->InsertNextPoint(1, 1, 1);
    points->InsertNextPoint(0, 1, 1);

    // 创建多边形数据
    vtkSmartPointer<vtkCellArray> polys = vtkSmartPointer<vtkCellArray>::New();
    polys->InsertNextCell(4);
    polys->InsertCellPoint(0);
    polys->InsertCellPoint(1);
    polys->InsertCellPoint(2);
    polys->InsertCellPoint(3);

    polys->InsertNextCell(4);
    polys->InsertCellPoint(4);
    polys->InsertCellPoint(5);
    polys->InsertCellPoint(6);
    polys->InsertCellPoint(7);

    polys->InsertNextCell(4);
    polys->InsertCellPoint(0);
    polys->InsertCellPoint(1);
    polys->InsertCellPoint(5);
    polys->InsertCellPoint(4);

    polys->InsertNextCell(4);
    polys->InsertCellPoint(1);
    polys->InsertCellPoint(2);
    polys->InsertCellPoint(6);
    polys->InsertCellPoint(5);

    polys->InsertNextCell(4);
    polys->InsertCellPoint(2);
    polys->InsertCellPoint(3);
    polys->InsertCellPoint(7);
    polys->InsertCellPoint(6);

    polys->InsertNextCell(4);
    polys->InsertCellPoint(3);
    polys->InsertCellPoint(0);
    polys->InsertCellPoint(4);
    polys->InsertCellPoint(7);

    // 创建 vtkPolyData
    vtkSmartPointer<vtkPolyData> polyData = vtkSmartPointer<vtkPolyData>::New();
    polyData->SetPoints(points);
    polyData->SetPolys(polys);

    // 读取纹理图像
    vtkSmartPointer<vtkJPEGReader> reader = vtkSmartPointer<vtkJPEGReader>::New();
    reader->SetFileName("path/to/your/image.jpg");
    reader->Update();

    // 创建纹理
    vtkSmartPointer<vtkTexture> texture = vtkSmartPointer<vtkTexture>::New();
    texture->SetColorModeToDirectScalars();
    texture->InterpolateOff();
    texture->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

    // 创建纹理映射
    vtkSmartPointer<vtkTextureMapToCylinder> textureMap = vtkSmartPointer<vtkTextureMapToCylinder>::New();
    textureMap->SetInputData(polyData);
    textureMap->PreventSeamOn();
    textureMap->Update();

    // 创建 mapper
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    mapper->SetInputConnection(textureMap->GetOutputPort());

    // 创建 actor
    vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    actor->SetMapper(mapper);
    actor->SetTexture(texture);

    // 创建 renderer
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    renderer->AddActor(actor);
    renderer->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0); // 白色背景

    // 创建 render window
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
    renderWindow->AddRenderer(renderer);
    renderWindow->SetSize(800, 800);

    // 创建 render window interactor
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
    renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

    // 开始渲染
    renderWindow->Render();
    renderWindowInteractor->Start();

    return 0;
}

说明

1. 创建点数据 ：使用 vtkPoints 类来存储立方体的顶点坐标。
2. 创建多边形数据 ：使用 vtkCellArray 类来定义这些顶点如何组成多边形。
3. 创建 vtkPolyData ：将点数据和多边形数据组合成一个 vtkPolyData 对象。
4. 读取纹理图像 ：使用 vtkJPEGReader 类读取纹理图像文件。
5. 创建纹理 ：使用 vtkTexture 类将读取的图像数据设置为纹理。
6. 纹理映射 ：使用 vtkTextureMapToCylinder 类将纹理映射到几何体上。
7. 创建 vtkPolyDataMapper ：将 vtkPolyData 映射到图形对象。
8. 创建 vtkActor ：定义图形对象并将 vtkPolyDataMapper 和纹理关联到 vtkActor。
9. 创建渲染器和渲染窗口：设置渲染器和渲染窗口，并启动交互器以显示三维形体。

请确保将 "path/to/your/image.jpg" 替换为实际纹理图像文件的路径。这个示例中，我们使用了一个简单的立方体，实际应用中可以替换为任何复杂的三维模型。

我们可以将立方体表面改为环面（即一个圆环表面）。以下是使用 VTK 库在 C++ 中实现纹理贴图并显示环面的示例代码：

#include <vtkSmartPointer.h>
#include <vtkPolyData.h>
#include <vtkPoints.h>
#include <vtkCellArray.h>
#include <vtkPolyDataMapper.h>
#include <vtkActor.h>
#include <vtkProperty.h>
#include <vtkRenderWindow.h>
#include <vtkRenderer.h>
#include <vtkRenderWindowInteractor.h>
#include <vtkJPEGReader.h>
#include <vtkTexture.h>
#include <vtkParametricFunction.h>
#include <vtkParametricTorus.h>
#include <vtkParametricFunctionSource.h>
#include <vtkTextureMapToCylinder.h>
#include <vtkTransformTextureCoords.h>

int main()
{
    // 创建环面参数化函数
    vtkSmartPointer<vtkParametricTorus> torus = vtkSmartPointer<vtkParametricTorus>::New();
    torus->SetRingRadius(1.0); // 环面的外径
    torus->SetCrossSectionRadius(0.5); // 环面的内径

    // 创建参数化源
    vtkSmartPointer<vtkParametricFunctionSource> source = vtkSmartPointer<vtkParametricFunctionSource>::New();
    source->SetParametricFunction(torus);
    source->SetUResolution(50); // U方向的分辨率
    source->SetVResolution(50); // V方向的分辨率
    source->Update();

    // 读取纹理图像
    vtkSmartPointer<vtkJPEGReader> reader = vtkSmartPointer<vtkJPEGReader>::New();
    reader->SetFileName("path/to/your/image.jpg");
    reader->Update();

    // 创建纹理
    vtkSmartPointer<vtkTexture> texture = vtkSmartPointer<vtkTexture>::New();
    texture->SetColorModeToDirectScalars();
    texture->InterpolateOff();
    texture->SetInputConnection(reader->GetOutputPort());

    // 创建纹理映射
    vtkSmartPointer<vtkTextureMapToCylinder> textureMap = vtkSmartPointer<vtkTextureMapToCylinder>::New();
    textureMap->SetInputConnection(source->GetOutputPort());
    textureMap->PreventSeamOn();
    textureMap->Update();

    // 创建纹理坐标变换
    vtkSmartPointer<vtkTransformTextureCoords> transformTextureCoords = vtkSmartPointer<vtkTransformTextureCoords>::New();
    transformTextureCoords->SetInputConnection(textureMap->GetOutputPort());
    transformTextureCoords->SetScale(1.0, 1.0);
    transformTextureCoords->SetTranslation(0.0, 0.0);

    // 创建 mapper
    vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper> mapper = vtkSmartPointer<vtkPolyDataMapper>::New();
    mapper->SetInputConnection(transformTextureCoords->GetOutputPort());

    // 创建 actor
    vtkSmartPointer<vtkActor> actor = vtkSmartPointer<vtkActor>::New();
    actor->SetMapper(mapper);
    actor->SetTexture(texture);

    // 创建 renderer
    vtkSmartPointer<vtkRenderer> renderer = vtkSmartPointer<vtkRenderer>::New();
    renderer->AddActor(actor);
    renderer->SetBackground(1.0, 1.0, 1.0); // 白色背景

    // 创建 render window
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindow> renderWindow = vtkSmartPointer<vtkRenderWindow>::New();
    renderWindow->AddRenderer(renderer);
    renderWindow->SetSize(800, 800);

    // 创建 render window interactor
    vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor> renderWindowInteractor = vtkSmartPointer<vtkRenderWindowInteractor>::New();
    renderWindowInteractor->SetRenderWindow(renderWindow);

    // 开始渲染
    renderWindow->Render();
    renderWindowInteractor->Start();

    return 0;
}

说明

1. 创建环面参数化函数 ：使用 vtkParametricTorus 类创建一个环面参数化函数，并设置环面的外径和内径。
2. 创建参数化源 ：使用 vtkParametricFunctionSource 类将参数化函数转换为 vtkPolyData，并设置 U 和 V 方向的分辨率。
3. 读取纹理图像 ：使用 vtkJPEGReader 类读取纹理图像文件。
4. 创建纹理 ：使用 vtkTexture 类将读取的图像数据设置为纹理。
5. 纹理映射 ：使用 vtkTextureMapToCylinder 类将纹理映射到几何体上。
6. 纹理坐标变换 ：使用 vtkTransformTextureCoords 类对纹理坐标进行变换，以便更好地贴合环面。
7. 创建 vtkPolyDataMapper ：将 vtkPolyData 映射到图形对象。
8. 创建 vtkActor ：定义图形对象并将 vtkPolyDataMapper 和纹理关联到 vtkActor。
9. 创建渲染器和渲染窗口：设置渲染器和渲染窗口，并启动交互器以显示三维形体。

请确保将 "path/to/your/image.jpg" 替换为实际纹理图像文件的路径。这个示例中，我们使用了一个环面，实际应用中可以调整参数或使用其他几何体。

总结

通过 vtkPolyData，可以方便地管理和操作多边形数据，包括顶点坐标、顶点之间的连接关系以及各种属性数据。这些成员和方法为创建和渲染复杂的几何体提供了强大的支持。